Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Посмотреть оригинал

Влияние легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов и определение оптимальных диапазонов их концентрации

В большинстве отечественных и зарубежных работ, посвященных металловедению никелевых жаропрочных сплавов, применяемых для изготовления рабочих лопаток с равноосной, направленной и моно- кристаллической структурой, предлагается классификация входящих в состав сплава легирующих элементов по месту их преимущественного распределения, в соответствие с которой все легирующие элементы могут быть разделены на следующие основные группы:

  • — элементы, растворяющиеся преимущественно в у-твсрдом растворе (у-стабилизирующие) — Cr, Mo, Со, Fe, Re;
  • — элементы, растворяющиеся преимущественно в у’-фазе (у'- стабилизирующие) — Ti, Al, Nb, Та, Hf;
  • — карбидообразующие элементы — Cr, Mo, W, V, Hf, Nb, Та, Ti;
  • — микролегирующие элементы, упрочняющие границы зерен — С, В, Zr, La, Y, Се и другие РЗМ;
  • — вредные примеси — Pb, In, As, Bi, Fe, Si, Cu, Sb, Zn, Cd, Те, TI, S, Ри др.

Такой важный легирующий элемент, как вольфрам, в этой классификации отнесен к карбидообразующим, однако он в полной мере может быть отнесен и к первой, и ко второй группе легирующих элементов, так как он не обнаруживает преимущественного распределения в какой-либо одной фазе.

Другим недостатком данной классификации является следующее. Она не позволяет без проведения эксперимента определить принадлежность произвольно взятого химического элемента к одной из вышеприведенных групп. Кроме того, данная классификация не является строгой в том смысле, что один и тот же элемент во многих случаях может принадлежать одновременно к двум и более группам, переходить из одной группы в другую при изменении характера легирования и кристаллизации сплава. В связи с этим была проведена классификация элементов Периодической системы Д. И. Менделеева по механизму их влияния на жаропрочность никелевых сплавов, используемых для получения лопаток с поликристаллической структурой, и некоторых никелевых жаропрочных сплавов, используемых для получения отливок с направленной и монокристальной структурами. В зависимости от типа начального участка двойной диаграммы «никель—элемент» и предельной растворимости элементов в никеле их можно разделить на следующие основные группы:

  • — растворные упрочнители, образующие с никелем неограниченные или ограниченные твердые растворы со значительной растворимостью — Cr, W, Mo, Со, Sr, Rh, Pt, Pd, Ru, Os, Re, Tc, t. e. легирующие элементы, упрочняющие аустенитную матрицу никелевых жаропрочных сплавов;
  • — растворно-дисперсионные упрочнители, образующие с никелем интерметаллические соединения — Та, Al, Ti, Nb — легирующие элементы, образующие упрочняющую у’-фазу;
  • — микролегирующие элементы — С, В, Zr, Се, Y, Hf, La, Nd, Pr — легирующие элементы, упрочняющие в основном границы зерен за счет связывания вредных примесей в тугоплавкие термодинамически устойчивые соединения;
  • — вредные примеси — Fe, Si, Mn, Р, Си, S, Pb, Bi, Sb, Те, As, Tl, Rb, Cs, Fr, Se, Sr, Cd, In, Li, Na — элементы, образующие с никелем или легирующими элементами легкоплавкие соединения либо понижающие фазовую стабильность системы.

Литые детали из жаропрочных литейных сплавов для авиадвигателестроения

Литые летали из жаропрочных литейных сплавов для авиадвигателестроения

Установка УВНК для литья лопаток с направленной кристаллизацией и монокристального литья

Газостат для устранения внутренних дефектов в лопатках ГТД

Модельный блок, литейная форма, блок отливок и готовая рабочая лопатка первой ступени ГТД

Механизм упрочнения растворными упрочнителями основан на внесении искажений в кристаллическую решетку никеля при образовании твердого раствора, препятствующих перемещению подвижных дислокаций, а также снижении скорости диффузии легирующих элементов в у-твердом растворе. Твердорастворное упрочнение сохраняется вплоть до высоких температур. Однако выше 0,6TS, т.е. в области высокотемпературной ползучести, упрочнение у-фазы зависит от способа диффузии легирующего элемента в твердом растворе. Поэтому легирующие элементы, медленно диффундирующие либо замедляющие скорость диффузии других элементов, являются наиболее эффективными упрочнителями. Выявление однозначной закономерности влияния данных элементов на свойства никелевых жаропрочных сплавов затруднено тем, что они участвуют сразу в нескольких механизмах упрочнения: кроме аустенитной матрицы, они растворяются в интерметаллидных фазах и образуют карбиды различного состава.

Хром в жаропрочных сплавах на основе никеля повышает жаро- простойкость и коррозионную стойкость за счет образования на поверхности сплава стойких оксидов типа Сг203 Снижение длительной прочности с увеличением концентрации Сг связано с тем, что с повышением степени легирования у-твердого раствора растворимость в нем хрома уменьшается и избыток его может выделяться в виде фаз неблагоприятной морфологии (фазы типа a-Сг, а- и p-фазы, карбиды типа М23С6 и М6С). Кроме того, Сг уменьшает количество выделяющейся при распаде пересыщенного у-твердого раствора у'-фазы, ухудшает ее термостабильность и более, чем другие элементы, расширяет интервал кристаллизации жаропрочных сплавов.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования хрома в заданной концентрации от содержания хрома (рис. 3.3), показывает, что оптимальное содержание хрома в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 2...9 ат. %.

Кобальт является элементом весьма близким к никелю по атомному строению и конфигурации электронных орбиталей, образует с никелем неограниченный твердый раствор и несколько повышает температуру солидус сплава и его платичность, одновременно понижая температуру сольвус. Снижение длительной прочности с увеличением концентрации Со связано также с образованием ТПУ-фаз типа Co7W6, охрупчивающих сплав.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования хрома в заданной концентрации от содержания хрома

Рис. 3.3. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования хрома в заданной концентрации от содержания хрома

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплава и частоты использования кобальта в заданной концентрации от содержания кобальта (рис. 3.4), показывает, что оптимальное содержание кобальта в никелевых жаропрочных сплавов для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 4... 10 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования кобальта в заданной концентрации от содержания кобальта

Рис. 3.4. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования кобальта в заданной концентрации от содержания кобальта

Молибден растворяется преимущественно в у-твердом растворе, повышает термостабильность у'-фазы и препятствует ее коагуляции, замедляя диффузию алюминия в у-твсрдом растворе. Наличие в сплаве молибдена также повышает стойкость к сульфидной коррозии, однако при этом снижается жаростойкость из-за образования легколетучих оксидов. Кроме того, молибден понижает температуру солидус сплава. Избыток молибдена также делает сплав склонным к выделению ТПУ-фаз р, а и карбидных фаз М(,С с неблагоприятной морфологией. В связи с этим в современных ЖС на основе никеля молибден признается менее эффективным упрочнителем, чем, например, вольфрам и рений.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования молибдена в заданной концентрации от содержания молибдена (рис. 3.5), показывает, что оптимальное содержание молибдена в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 0,1...0,7 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования молибдена в заданной концентрации от содержания молибдена

Рис. 3.5. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования молибдена в заданной концентрации от содержания молибдена

Вольфрам является одним из наиболее эффективных упрочните - лей никелевых жаропрочных сплавов. Он заметно повышает температуру солидус сплавов, в значительных количествах входит и в состав у-твердого раствора, и в состав у'-фазы, замедляя диффузионные процессы и повышая таким образом термостабильность у'-фазы. Основной опасностью при перелегировании вольфрамом является, как и при перелегировании молибденом, склонность к выделению карбидных и ТПУ-фаз, приводящих к разупрочнению сплавов.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования вольфрама в заданной концентрации от содержания вольфрама (рис. 3.6), показывает, что оптимальное содержание вольфрама в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 1,5...3,0 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования вольфрама в заданной концентрации от содержания вольфрама

Рис. 3.6. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования вольфрама в заданной концентрации от содержания вольфрама

Рений, как и вольфрам, повышает температуру солидус сплава и оказывает заметное влияние на термостабильность у-твердого раствора. Вследствие низкого коэффициента распределения рения в у-твердом растворе примерно в 10...20 раз увеличивается его содержание в у'-фазе, поэтому в ренийсодержащих жаропрочных сплавах твердый раствор предельно легирован тугоплавкими элементами, такими как вольфрам и рений, и все диффузионные процессы в нем протекают с низкими скоростями. При этом вольфрам вытесняется в у'-фазу, вследствие чего растворение и коагуляция частиц у'-фазы протекают чрезвычайно медленно, соответственно и менее интенсивно происходит разупрочнение сплава. Кроме того, рений в значительной мерс повышает сопротивление окислению и газовой коррозии.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования рения в заданной концентрации от содержания рения (рис. 3.7), показывает, что оптимальное содержание рения в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 1,0...2,2 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования рения в заданной концентрации от содержания рения

Рис. 3.7. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования рения в заданной концентрации от содержания рения

Механизм упрочнения растворно-дисперсионными упрочнителя- ми обусловлен выделением препятствующих перемещению подвижных дислокаций частиц упрочняющей у’-фазы на основе когерентных аустенитной матрице интерметаллидных соединений типа Ni3Al, Ni3Ti, Ni3Nb, Ni3Ta, Ni3(Ti, Al), Ni3(Ti, Al, Nb) при старении перенасыщенного у-твердого раствора этих элементов в никеле. Жаропрочность сплава напрямую зависит от количества у'-фазы (рис. 3.8).

Алюминий и титан являются основными у'-образующими элементами в никелевых жаропрочных сплавах. Они оказывают положительное влияние на температуру сольвус жаропрочных сплавов, повышая ее значение. Титан, кроме всего прочего, способствует повышению температуры солидус сплава. Алюминий является также элементом, обеспечивающим эффективную защиту никелевых жаропрочных сплавов от высокотемпературной газовой коррозии. Вместе с тем, уровень легирования этими элементами, по-видимому, близок к пределу. Увеличение долговечности сплавов при высокой температуре достигается не за счет повышения суммарного содержания этих элементов. Наоборот, их концентрация (при общем увеличении количества у'-фазы и у’-образующих элементов в сплавах) имеет тенденцию к некоторому снижению, в особенности титана (рис. 3.9).

Зависимость 1000-часовой жаропрочности никелевых жаропрочных сплавов от объемной доли у'-фазы при температуре 800 °С

Рис. 3.8. Зависимость 1000-часовой жаропрочности никелевых жаропрочных сплавов от объемной доли у'-фазы при температуре 800 °С

Зависимость 100-часовой жаропрочности никелевых сплавов от суммарного содержания у'-образующих легирующих элементов

Рис. 3.9. Зависимость 100-часовой жаропрочности никелевых сплавов от суммарного содержания у'-образующих легирующих элементов

Подобное обстоятельство можно объяснить тем, что при достигнутом уровне легирования эффективными упрочнителями становятся такие у'-образующие элементы, как ниобий и тантал, поскольку они интенсивнее стабилизируют у’-фазу и карбиды, обеспечивают более широкие возможности для достижения оптимального параметра несоответствия кристаллических решеток на межфазных у/у'-границах, что приводит к увеличению термостабильности и жаропрочности сплава в целом.

Анализ гистограмм, характеризующих зависимости жаропрочности сплавов и частоты использования алюминия и титана в заданной концентрации от их содержания (рис. 3.10, 3.11), показывает, что оптимальное содержание алюминия в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 12...14ат. %, а титана — 0...1,7 ат. %. В жаропрочных сплавах 2-го и 3-го поколений, предназначенных для монокристаллического литья и для направленной кристаллизации, содержание А1 возросло до 6,0...6,2 мае. % (~ 13,3... 13,8 ат. %). При этом уровень их легирования Ti снизился до 0,7... 1,0 мае. % (~0,9...1,3 ат. %), или Ti не вводят в состав этих жаропрочных сплавов совсем.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования алюминия в заданной концентрации от содержания алюминия

Рис. 3.10. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования алюминия в заданной концентрации от содержания алюминия

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования титана в заданной концентрации от содержания титана

Рис. 3.11. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования титана в заданной концентрации от содержания титана

Ниобий заметно упрочняет у-твердый раствор и одновременно, находясь в у'-фазе и карбидах, повышает жаропрочность и снижает склонность сплавов к перестариванию, благоприятно влияет на уменьшение склонности к зональной ликвации, в малых количествах значительно упрочняет границы зерен и приграничные объемы, повышает температуру рекристаллизации и замедляет диффузионные процессы. Однако наличие в сплаве ниобия снижает его жаро- и коррозионную стойкость вследствие образования в поверхностных слоях легкоплавкого летучего оксида Nb205. Поэтому, в связи с отрицательным влиянием частиц карбидной фазы на жаростойкость и усталостные характеристики жаропрочных сплавов, содержание ниобия в современных никелевых жаропрочных сплавах ограничивают.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования ниобия в заданной концентрации от содержания ниобия (рис. 3.12), показывает, что оптимальное содержание ниобия в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 0...0,35 ат. %. При увеличении концентрации Nb до 2...6 мае. % (~ 1,3...3,9 ат. %) возможно выделение в некогерентной у-матрице Х-фазы NijNb, что приводит к снижению термодинамической стабильности системы в целом.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования ниобия в заданной концентрации от содержания ниобия

Рис. 3.12. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования ниобия в заданной концентрации от содержания ниобия

Тантал оказывает сильное влияние на термостабильность выделений урочняющей у'-фазы, образует дисперсные термодинамически устойчивые карбиды ТаС. Входя в состав карбидов, он улучшает их морфологию и соответственно совершенствует механизм карбидного упрочнения.

Наиболее эффективным является совместное легирование жаропрочных никелевых сплавов танталом и рением, которое обеспечивает повышение температуры сольвус, резкое снижение диффузионной подвижности элементов в жаропрочных сплавах, особенно при высоких температурах, значительное упрочнение у-твердого раствора и стабилизацию у'-фазы, замедление процессов коагуляции крупных и растворения мелких частиц у'-фазы при высоких температурах.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования тантала в заданной концентрации от содержания тантала (рис. 3.13), показывает, что оптимальное содержание тантала в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 2,0...3,5 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования тантала в заданной концентрации от содержания тантала

Рис. 3.13. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования тантала в заданной концентрации от содержания тантала

Упрочнение межфазных и межзёренных границ в жаропрочных сплавах обеспечивается в первую очередь микролегированием. Поскольку объем граничных пространств мал по сравнению с объёмом сплава (хотя именно они в значительной степени определяют работоспособность материала), достаточным оказывается введение микродобавок, которые, располагаясь в пограничных объёмах, совершенствуют границы зерен и фаз, значительно улучшают эксплуатационные характеристики жаропрочных сплавов. Для сплавов тех или иных конкретных составов указывается разная величина эффекта микролегирования, однако во всех случаях он является положительным.

Введение в никелевые жаропрочные сплавы гафния несколько увеличивает долю эвтектической у’-фазы и благоприятным образом изменяет морфологию карбидов МеС: они приобретают форму округлых включений, что позволяет одновременно повысить как прочностные свойства, так и характеристики пластичности.

Под влиянием гафния образующиеся эвтектические выделения у'-фазы искривляют границы зерен, что приводит к повышению сопротивления ползучести. Положительная роль гафния как упрочни- теля границ зерен объясняется еще и тем, что, соединяясь с серой, он создает стойкие сульфиды; кроме того, находясь в боридной фазе, он замещает хром, делая борид более тугоплавким. Гафний положительно влияет на термостабильность у'-фазы, увеличивая температуру сольвус. Установлено также, что гафний сильно ликвирует в межосные участки и вызывает большее, чем другие легирующие элементы, пресыщение междендритных объемов жаропрочных сплавов у'-образующими элементами. Введение его в состав жаропрочных сплавов привело к своеобразной революции в теории легирования. В результате были созданы не только новые жаропрочные сплавы с более высоким уровнем жаропрочности и пластичности, но и значительно улучшены разработанные ранее жаропрочные сплавы, введение в которые гафния позволило, не снижая жаропрочности, существенно повысить их пластичность, особенно в поперечном направлении.

Концентрация гафния в жаропрочных сплавах должна быть такой, чтобы было достигнуто одновременно значительное повышение долговечности и пластичности, но при этом структурная стабильность жаропрочных сплавов, обусловленная карбидными реакциями, оставалась бы достаточно высокой.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования гафния в заданной концентрации от содержания гафния (рис. 3.14), показывает, что оптимальное содержание гафния в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 0 ...0,45 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования гафния в заданной концентрации от содержания гафния

Рис. 3.14. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования гафния в заданной концентрации от содержания гафния

Бор сосредоточивается на границах зерен в виде твердых тугоплавких частиц, где замедляет зернограничную диффузию, снижает поверхностную энергию границ зерен и повышает их когезивную прочность. Введение всего 0,01 мае. % (-0,06 ат. %) бора уменьшает пограничный коэффициент самодиффузии никеля при температуре 800 °С в 5 раз и в 4 раза увеличивает длительную прочность ЖС при температуре 975 °С и о = 200 МПа. Кроме того, в ряде работ указывается, что бор приводит к улучшению морфологии карбидов типа Ме23С6 Однако образующиеся в жаропрочных сплавах бориды являются эффективными упрочнителями лишь при температурах до 1000 °С. При более высоких температурах бориды гораздо раньше, чем карбиды, становятся неустойчивыми, являясь причиной разупрочнения никелевых жаропрочных сплавов. Кроме того, бор участвует в образовании легкоплавких карбоборидных эвтектик и оказывает очень сильное отрицательное влияние на температуру солидус жаропрочных сплавов: введение бора в количестве 0,01 мае. % (-0,06 ат. %) снижает температуру солидус сплава ЖС40 с 1353 до 1306 °С.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования бора в заданной концентрации от содержания бора (рис. 3.15), показывает, что оптимальное содержание бора в никелевых жаропрочных сплавах для монокристального литья равно 0,01...0,04 ат. %, а в безуглеродистых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации — 0,075...0,095 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования бора в заданной концентрации от содержания бора

Рис. 3.15. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования бора в заданной концентрации от содержания бора

В современных жаропрочных сплавах с монокристалличе- ской структурой содержание бора снижено до 0,004...0,015 мас.% (-0,02...0,08 ат. %) или бор отсутствует вовсе. В жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации при содержании углерода 0,1 ...0,2 мае. % (-0,5... 1,0 ат. %) оптимальное содержание бора составляет 0,01...0,02 мае. % (-0,06...0,11 ат. %) и до 0,10 мае. % (-0,55 ат. %) при снижении содержания углерода до 0,02 мае. % (-0,01 ат. %). Углерод в современных никелевых жаропрочных сплавах образует не только весьма стабильные при высокой температуре упрочняющие карбидные фазы (в никелевых жаропрочных сплавах они выделяются, в отличие от кобальтовых, железных и других сплавов, предпочтительно по границам зерен, а не во внутренних объёмах), но и упрочняющие малоугловые границы, появляющиеся в процессе роста кристаллов и снижающие вероятность возникновения горячих трещин при литье лопаток сложной конструкции. Кроме того, углерод является эффективным раскислителем жидкого металла.

Вместе с тем, имея меньший коэффициент линейного расширения, чем у-матрица ЖС, карбиды являются интенсивными концентраторами напряжений и источниками зарождения микротрещин, особенно в условиях циклических испытаний на выносливость, малоцикловую усталость и термоусталость. Карбиды типа Ме23С6 и Ме6С, образующиеся при распаде нестабильных карбидов типа МеС, являются также источниками зарождения ТПУ-фаз типа о и ц. Углерод заметно уменьшает термическую стабильность ЖС и снижает температуру их плавления. В частности, введение 0,05 мае. % (-0,25 ат. %) углерода в жаропрочный никелевый сплав ЖС40 снизило температуру солидус с 1353 до 1322 °С, а температура сольвус этого сплава уменьшилась с 1320 до 1280 °С. Указанное обстоятельство особенно важно для жаропрочных сплавов с направленной столбчатой и монокристаллической структурой, предназначенных для работы при наиболее высоких температурах. В связи с этим, жаропрочные сплавы для направленной кристаллизации (в том числе для получения монокристаллических лопаток) имеют пониженное содержание углерода.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования углерода в заданной концентрации от содержания углерода (рис. 3.16), показывает, что оптимальное содержание углерода в никелевых жаропрочных сплавах для монокристального литья равно 0,05...0,27 ат. %, а в не содержащих бор жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации — 0,65...0,80 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования углерода в заданной концентрации от содержания углерода

Рис. 3.16. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования углерода в заданной концентрации от содержания углерода

Цирконий оказывает значительное положительное влияние на жаропрочность никелевых сплавов. Отмечается, что совместное микролегирование (Zr + В) благоприятно влияет на свойства сплавов и может повышать время до разрушения образцов при испытании на ползучесть в несколько раз. Зависимость пластичности от содержания циркония в пределах 0,005...0,05 мае. % (~0,003...0,033 ат. %) сложная: максимальная пластичность наблюдается при введении 0,01 мас.% (~0,007 ат. %) Zr, при большем или меньшем его содержании пластичность снижается.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования циркония в заданной концентрации от содержания циркония (рис. 3.17), показывает, что оптимальное содержание циркония в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 0...0,005 ат.%.

Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования РЗМ в заданной концентрации от содержания РЗМ (рис. 3.18), показывает, что оптимальное содержание РЗМ в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристального литья равно 0...0,04 ат. %.

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования циркония в заданной концентрации от содержания циркония

Рис. 3.17. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования циркония в заданной концентрации от содержания циркония

Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования РЗМ в заданной концентрации от содержания РЗМ

Рис. 3.18. Зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования РЗМ в заданной концентрации от содержания РЗМ

Кроме полезных микродобавок или нейтральных примесей, в сплавах присутствуют вредные примеси. Их содержание ограничивают либо стремятся исключить их.

Сера является источником образования сложных сульфидов тантала и титана (Та, Ti)S, а растворенные в металле кислород [OJ и азот

[N] образуют частицы А120, или карбонитриды титана и тантала типа (Ti, Ta)xCN. Неметаллические включения и карбиды являются концентраторами напряжений типа «жесткая частица — мягкая матрица», существенно снижающими циклические характеристики жаропрочных сплавов. Содержание серы в жаропрочных сплавах ограничивается концентрацией (5...7)1СГ4%. Содержание газообразных примесей 02 и N2 должно быть меньше предела их растворимости в никеле, т. е. 10_4%. Если содержание газов превышает предельную растворимость в никеле, то возможно образование неметаллических включений, которые затрудняют формирование монокристальной структуры, являясь центрами гетерогенного зарождения равноосных зерен.

Исследование влияния переменного содержания кремния на жаростойкость и механические свойства жаропрочных сплавов показало, что он повышает сопротивление сплавов окислению, но при этом заметно снижает длительную прочность и пластичность. Кремний снижает температуры ликвидус, солидус и температуру растворения карбидов. Увеличение в никелевом жаропрочном сплаве содержания кремния с 0,05 до 0,4% приводит к повышению доли неравновесной эвтектики у-у', дополнительному выделению из расплава карбидов типа Ме6С и МсС. При высокотемпературных выдержках кремний инициирует карбидные превращения, повышает скорость коагуляции у'-фазы, что снижает долговечность и кратковременную пластичность жаропрочных сплавов. Указанное обстоятельство особенно важно потому, что в процессе изготовления отливки жидкий металл определенное время находится в контакте с керамической формой, в которой содержится свободный диоксид кремния Si02 В результате содержание Si в металле повышается. Такое же отрицательное влияние на свойства жаропрочных сплавов оказывает Мп. Поэтому содержание в сплавах Si и Мп ограничивают величиной порядка 0,3 %. В литейных никелевых жаропрочных сплавах также ограничивается содержание железа, которое не должно превышать 1 %.

При изучении влияния олова на свойства сплава ЭИ437 было показано, что содержание Sn более 0,02 % приводит к зернограничному разрушению слитков жаропрочных сплавов в процессе ковки. Жаропрочность сплава с возрастанием содержания Sn также падает, хотя и не так резко, как при легировании его РЬ и Bi.

Полученные результаты явились основой для введения ужесточенных спецификаций на содержание вредных примесей, к которым отнесена половина элементов Периодической системы. Согласно спецификации AMS-2280, в жаропрочных сплавах содержание Bi и Те не должно превышать 5* 10-5%; Se — 3* 10-4%; РЬ и Т1 — 5*10_4%; Sb, As, Gd, Ga, Ge, Au, In, Hg, K, Ag, Na, Th, Sn, U и Zn — ниже 5T0"3% каждого и менее 4T0-2% для их суммы. При этом обращается внимание на то, что многократное использование возвратного металла приводит к выгоранию полезных и накоплению нежелательных примесей, поэтому шихту литейных цехов требуется систематически обновлять.

Обобщая приведённые выше сведения об оптимальных диапазонах содержания различных легирующих элементов в никелевых жаропрочных сплавах, применяемых для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, можем заключить, что максимальной жаропрочностью при температурах, соответствующих условиям работы лопаток ГТД, т.е. при температурах 950... 1050 °С, будут обладать жаропрочные сплавы, содержание легирующих элементов в которых соответствует диапазонам, приведённым в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Оптимальные концентрации легирующих элементов в никелевых жаропрочных сплавах для направленной кристаллизации и монокристалыюго литья, ат. %

Концентрация

Сг

Со

Мо

W

Re

Та

А1

Ti

Nb

Hf

В

С

Zr

I

P3M

Минимальная

2,0

4,0

0,1

1,5

1,0

2,0

12,0

0

0

0

0,01

0,05

0

0

Максимальная

9,0

10,0

0,7

3,0

2,2

3,5

14,0

1,7

0,35

0,45

0,04

0,27

0,005

0,04

Результаты обобщения составов ЖС, входящих в исходную выборку, приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Минимальные и максимальные концентраций легирующих элементов в исходной выборке жаропрочных сплавов, ат. %

Концентрация

Сг

Со

Мо

W

Re

Та

А1

Ti

Nb

Hf

в

С

Zr

IP3M

Минимальная

1,8

0

0

0

0

0,54

7,3

0

0

0

0

0

0

0

Максимальная

17,5

13,3

1,8

3,0

2,6

3,6

14,0

5,5

1,04

0,11

0,12

0,80

0,03

0,27

Сравнение диапазонов варьирования концентраций легирующих элементов в сплавах из исходного набора статистической информации с оптимальными диапазонами содержания различных легирующих элементов в никелевых сплавах (табл. 3.2) показывает, что практически по всем основным легирующим элементам выбранные для анализа сплавы не укладываются в определённые оптимальные диапазоны. Поэтому можем заключить, что уровень жаропрочности никелевых сплавов может быть увеличен по сравнению с жаропрочностью сплавов, входящих в исходную выборку статистических данных, за счёт оптимизации состава жаропрочных сплавов.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы